[发明专利]一种镁及镁合金用镁钛硼晶粒细化剂制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种镁及镁合金用晶粒细化剂制备方法，利用制备的晶粒细化剂可以有效细化镁及镁合金晶粒。

背景技术

镁合金的工业应用始于20世纪30年代。目前，镁合金已广泛用于交通运输行业和3C电子产品等领域，并且全球镁的用量以每年20％的速度快速增长，这在现代工程金属材料应用中是前所未有的，因此，镁合金被誉为21世纪最具有开发和应用潜力的绿色工程材料。然而，镁合金为密排六方晶体结构，滑移系少，导致其塑性变形困难。此外，镁合金表面易腐蚀形成不致密的氧化膜(MgO)，其耐腐蚀性能较差。因此，添加细化剂细化晶粒以提高合金的力学性能、改善腐蚀性能及塑性变形能力，从而进一步促进镁合金的应用。

镁合金按是否含有Zr元素，可以划分为含Zr镁合金和不含Zr镁合金。有研究表明Zr能有效细化镁及镁合金晶粒，在纯Mg、Mg-Zn系及Mg-RE系中广泛使用，但存在Zr在镁及其合金中的溶解度有限的缺陷。由于Zr与Al、Mn易形成稳定的化合物而沉淀，不能起到细化晶粒的效果，因此，在Mg-Al系和Mg-Mn系合金中不能加入Zr细化晶粒。Mg-Al系镁合金的晶粒细化方法主要有：过热法、无水氯化铁法、碳质孕育法(如碳粉、MgCO₃、C₂Cl₆等)、添加溶质元素(如稀土元素Ce、La、Nd、Y，或混合稀土MM等；碱土元素Ca、Sr、Ba等)、添加颗粒(如TiB₂、Al₄C₃、AlN、SiC、B₄C、TiC等)。但是，上述诸多工艺中存在一些问题，如环保污染、不润湿、生产新的第二相等，为此，有必要寻求高效无污染的通用型晶粒细化剂。

TiB₂是一种性能优异的高熔点陶瓷相，在镁合金熔体中具有良好的热稳定性。TiB₂为密排六方晶体结构，且晶格常数与α-Mg相近，可成为α-Mg的良好异质晶核，在镁及镁合金的晶粒方细化方面极具潜力。目前，TiB₂的制备方法主要有以下几种：

碳热还原法：以Ti₂O、B₄C为原料，碳黑为还原剂，在碳管炉中进行反应，合成温度一般为1650～1900℃，处理时间一般为8～12h。这是工业化生产中应用较多的工艺。其优点是：碳成本低且来源丰富，硼含量高，反应制得的TiB₂纯度较高。其主要缺点是：反应温度高，致使TiB₂粉末颗粒粗大，同时原料中所需的B₄C制造成本比较高。

机械合金化：将单质元素或化合物的粉末混合后进行高能球磨，以诱发各种固-固反应，合成新的化合物或复合材料。有研究表明仅依靠单纯的机械合金化球磨Ti粉和B粉需要很长的球磨时间才能完全化合，这不利于工业生产。若要反应比较完全，通常机械合金化后需要后续的等温热处理。

自蔓延高温合成：将反应物粉末混合并压实成坯，在真空或惰性气氛条件下，将坯体加热，产生高度放热的燃烧波，使反应自发蔓延进行，直至反应全部完成。以高纯度的硼粉与钛粉为原料，通过自蔓延高温合成而得到的TiB₂粉末具有很高的纯度，可达98％～99％，但合成过程中温度很高(高于3000℃)，因此粉末粒度较粗并有部分形成硬团。

可控气氛等温处理：在真空或惰性气体的保护气氛中，将一定比例的反应物粉末混合均匀后压成预制块放入热处理炉中，并在给定温度下保温一段时间，以制备含有TiB₂的中间合金。

综上所述：碳热还原法操作不易控制，并且难以定量分析TiB₂的含量。机械合金化、自蔓延高温合成和可控气氛等温热处理法均可以合成TiB₂，但对设备要求较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种不需要特殊气氛或真空保护环境，并在较低温度下制备出可定量而且具有良好界面的镁及镁合金用晶粒细化剂，这对于提高镁合金力学性能、改善耐腐蚀性能和塑性变形能力，拓宽镁及镁合金的应用范围具有重要意义。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的镁及镁合金用晶粒细化剂，含有Ti、B、Mg，各化学成分的重量百分比为：13.78～55.10％钛，6.22～24.90％硼，余量为镁。